
2019年8月25日,一篇上傳到論文預印本arXiv網站的文章表示,“太空電梯”在技術上和經濟上具備可行性,大約只需要10億美元成本,就可以打造這樣一部“月球太空電梯”。
“太空電梯”的概念一直只存在于想象和文學作品中,是個很完美的科幻概念,人類火箭之父齊奧爾科夫斯基早些年代就已經提出了這個美好的設想:普通人能像乘坐電梯一樣,借助一根連接天地的繩纜,自由且低成本往返太空。
然而,“太空電梯”到底可不可行?
這篇論文設想,由于月球的相對運動,線纜無法固定在地球表面,所以電纜一頭固定在月球上,另一頭指向地球上方,可能位于距離地球上空接近同步軌道的高度上,這里是絕大多數通訊衛星所在地:圍繞地球自轉速度恰好等于地球一天,因而相對地面而言靜止或同步。這個方案跟此前“太空電梯”必須將重心放在地球同步軌道上的設定有所區別。但這就意味著一系列新問題。例如,文章并未 考慮從月球開始建設的運輸費用成本。阿波羅登月計劃時期,共計消耗了約2000億美元,僅運輸了6次任務、總重不到100噸物資抵達月球表面。而如果建立一個從月球到地球附近、長達30余萬千米的大型穩定結構,勢必意味著月球端巨大的建設消耗。
此外,靠近地球的這一端很難保持位置穩定。在這個高度,即便是一顆采用離子電推進的通信衛星,依然要持續不斷工作以對抗地球非嚴格球形引力攝動、太陽光壓、地球反照壓、日月金木火等星體引力等影響,工作壽命僅在10年左右。而對于這么大型的結構,勢必無法控制,甚至是地球附近最寶貴的地球靜止軌道上所有衛星的潛在災難。
而按照設想,載荷需要先發射到靠近地球這一端,再通過太陽能緩慢移動到月球附近。先不評價靠效率如此低的太陽能走完連光速都需要1秒的距離(30萬千米,地球赤道7.5圈)需要多久,單純發射到地球靜止軌道的費用就讓人震驚。目前人類到達這個軌道的通信衛星最重約7噸,但代價是數億美元的花費。實現跟一個完全無控的巨大鋼纜對接難度更是不可估量。即便是距離地球上空幾百千米的、兩個可控航天器空間交會對接任務,全世界能掌握的國家也寥寥無幾!
論文中還提到,最簡單版的Spaceline線纜可能不會超過88000磅,并不需要非用碳基材料不可,Kevlar或其他現有材料制成就可以完成。然而,這并不現實。
因為被繃緊的纜繩需要承受巨大的應力,可行的材料仍然是碳基材料。即便是碳納米管,它的長徑比也在1000:1級別,對比“太空電梯”的超長纜繩要求依然不夠。當長度為30萬千米時,寬度會達到多么不可思議的級別!
不僅強度問題,繩纜不同位置由于重力加速度和圍繞地球或月球運動速度不同,受到的切向應力也大不相同,人類尚無一種靈活的材料能實現這些要求。
這不禁讓人想起另一個更接近真實情況的“太空電梯”:2018年9月14日,日本宇宙航空研發機構JAXA將在種子島太空中心用H-IIB火箭發射第七艘前往國際空間站的貨運飛船HTV-7,這是現役世界第一重的貨運飛船,可達16.5噸。不過顯然它并沒有多少讀者注意,反而被一個“世界首個‘太空電梯’即將發射”的新聞搶了頭條。
它的全稱是空間系留自主機器人衛星-迷你電梯,這已經是STARS實驗系列衛星第四次任務。迷你電梯其實是個昵稱,它真正的功能并非如此,真相如下:
HTV夾帶的貨物
日本已經執行了多次國際空間站的貨運任務,且JAXA擁有國際空間站上希望號實驗艙、儲藏艙、擴展實驗艙和機械臂。HTV可以運送重達6.2噸的貨物,遠超國際空間站貨運主力進步號的2.4噸,在執行基本任務需求時夾帶一些其他貨物也是常態。本次HTV-7任務就額外攜帶了STARS-Me,SPATIUM-I和RSP-00三個技術驗證衛星。
系留衛星
STARS系列任務都用來驗證一種空間應用的技術:系留衛星,或者系繩衛星。它的原理是通過用繩纜從母衛星釋放一顆子衛星、或者雙星進行伴飛,能自由釋放、收回并重復使用,實現各種科學和工程研究目標,先后有香川大學、靜岡大學等參與。
STARS的特色在于低成本的微小衛星編隊:兩顆微小、猶如魔方大?。?0厘米邊長的1U立方形)的衛星通過一根10米的細鋼纜相連。這次的STARS-Me任務之所以叫做迷你電梯,是因為鋼纜上還將有一個小滑塊可以在鋼纜上移動,視覺上有一種“電梯”的效果,因而得名,但可以確定的是這跟“太空電梯”的理念毫無關系。
中間的“電梯廂”帶有藍牙功能,能夠通過其中一顆衛星與地面通信,也會出現在兩顆衛星的互拍中。它也能夠在繩纜上緩慢移動,作為測試任務的額外標的,也能驗證雙星+滑塊的技術可行性,從這個角度的確是世界首例,但更科學的叫法應該叫做滑塊。整體上這個任務只是個實驗驗證性質的小型任務,跟大家想象中的“黑科技”相距甚遠。
宣傳作用
谷歌著名的X實驗室,曾經研究過“太空電梯”的可行性,最終宣布放棄,因為它的技術難度“遠遠超過了人類現有技術水平”。更何況,人類航天已經愈發成熟,隨著可回收運載器和航天器的快速研發,尤其是商業航天的加入,航天成本也在迅速降低,太空電梯最吸引人的“價格優勢”并不存在。(來源:科普中國)